尾門系統(tǒng)約束力對(duì)解鎖條件的影響研究

李超帥 林森 于波 李瑞生

（華晨汽車工程研究院，沈陽(yáng) 110000）

尾門系統(tǒng)約束力對(duì)解鎖條件的影響研究

李超帥 林森 于波 李瑞生

（華晨汽車工程研究院，沈陽(yáng) 110000）

為解決新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中因閉合件系統(tǒng)條件改變導(dǎo)致的鎖機(jī)構(gòu)失效問(wèn)題，對(duì)尾門系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)公式推導(dǎo)，將尾門密封條、氣彈簧以及緩沖塊等系統(tǒng)影響因素統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為尾門系統(tǒng)約束力，結(jié)合尾門鎖內(nèi)部機(jī)構(gòu)的工作原理，分析了尾門系統(tǒng)約束力對(duì)解鎖條件的影響，提出了一種精細(xì)化的尾門系統(tǒng)約束力與解鎖條件的匹配計(jì)算方法。同時(shí)，提出了計(jì)算過(guò)程中需要充分考慮的外界影響因素，對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了修正，以滿足各種工況下尾門鎖的功能穩(wěn)定性。

1 前言

目前，在國(guó)內(nèi)新車型的開(kāi)發(fā)中，鎖機(jī)構(gòu)通常借用量產(chǎn)車型中已經(jīng)成熟應(yīng)用的產(chǎn)品，往往忽略了不同車型閉合件系統(tǒng)的條件改變對(duì)鎖機(jī)構(gòu)的影響，難以設(shè)計(jì)出最優(yōu)方案，甚至?xí)霈F(xiàn)鎖機(jī)構(gòu)失效問(wèn)題。所以，從基本原理上探尋鎖機(jī)構(gòu)與閉合件系統(tǒng)條件的匹配方法，解決系統(tǒng)因素導(dǎo)致的鎖機(jī)構(gòu)解鎖失效問(wèn)題是很有必要的。本文以兩廂車尾門鎖與尾門系統(tǒng)的匹配為例進(jìn)行了解鎖可靠性的匹配計(jì)算方法分析。

2 尾門系統(tǒng)約束力模型

在不同車型中，尾門的質(zhì)量、其密封條的布置、氣彈簧的力和緩沖塊的布置都不相同，這些系統(tǒng)因素的差異形成了不同車型尾門鎖機(jī)構(gòu)工作環(huán)境的差異，因此，新開(kāi)發(fā)車型中尾門鎖機(jī)構(gòu)的匹配應(yīng)用就需要綜合考慮整個(gè)尾門系統(tǒng)條件的影響[1～2]。

如圖1所示，尾門在關(guān)閉狀態(tài)下處于以尾門鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸，尾門鎖、緩沖塊、氣彈簧以及密封條等尾門附件約束下的平衡狀態(tài)。其中尾門自身重力以及尾門鎖與鎖扣之間的拉力提供了尾門在圖1所示視圖下順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)力矩，尾門緩沖塊、氣彈簧以及密封條提供了尾門在圖1所示視圖下逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)力矩。在兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)力矩的約束下，尾門處于平衡狀態(tài)，即：

式中，M1為尾門自身的重力力矩；M2為尾門鎖與鎖扣之間的約束力矩；M3為尾門緩沖塊提供的支撐力矩；M4為尾門限位塊提供的支撐力矩（限位塊在設(shè)計(jì)狀態(tài)無(wú)壓縮量，通常預(yù)留1 mm間隙進(jìn)行容差，僅在極限公差情況下M4＞0）；M5為尾門氣彈簧提供的支撐力矩；M6為尾門密封條提供的支撐力矩。

圖1 尾門關(guān)閉狀態(tài)下力矩平衡示意

在不同車型中，M1及各支撐力矩的大小均不相同，因此，同一尾門鎖應(yīng)用在不同的尾門系統(tǒng)中，其與鎖扣之間的約束力矩M2也不相同。尾門鎖與尾門鎖扣之間的約束力可表示為：

式中，L2為F2以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸線的力臂。

式（2）將尾門密封條、緩沖塊以及氣彈簧等所有條件的作用效果集中體現(xiàn)在系統(tǒng)約束力F2上，它是影響尾門解鎖可靠性的重要因素。

3 尾門系統(tǒng)約束力對(duì)解鎖條件的影響

某車型尾門鎖結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為：車輛發(fā)出解鎖信號(hào)后，尾門鎖驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)解鎖推動(dòng)桿向外運(yùn)動(dòng)，解鎖推動(dòng)桿推動(dòng)棘爪旋轉(zhuǎn)，從而使棘輪與棘爪脫離嚙合狀態(tài)，棘輪旋轉(zhuǎn)釋放鎖扣從而使尾門解鎖[3～4]。由于棘爪回位彈簧、棘輪回位彈簧以及棘輪與棘爪之間滑動(dòng)摩擦力的存在，當(dāng)電機(jī)解鎖力不足以推動(dòng)棘爪旋轉(zhuǎn)并與棘輪脫離嚙合時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)解鎖失效的情況。棘爪回位彈簧與棘輪回位彈簧的力為尾門鎖機(jī)構(gòu)的固有屬性，不受尾門系統(tǒng)條件的影響，而棘輪與棘爪之間的滑動(dòng)摩擦力大小則主要由尾門系統(tǒng)約束力F2決定。

圖2 某車型尾門鎖結(jié)構(gòu)示意

3.1 系統(tǒng)約束力對(duì)棘輪棘爪摩擦力的影響

對(duì)棘輪與棘爪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，如圖3所示，在棘輪與棘爪的嚙合狀態(tài)下，棘輪處于以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力矩平衡狀態(tài)：

式中，F(xiàn)n為棘輪與棘爪間的正壓力；Ln1為Fn以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂；Ln2為F2以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂；ML為棘輪回位彈簧以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的回位力矩，屬于尾門鎖固有屬性。

圖3 棘輪受力分析

根據(jù)滑動(dòng)摩擦力公式計(jì)算可得棘輪與棘爪之間滑動(dòng)摩擦力為：

式中，μ為棘輪與棘爪之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

在鎖體結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，Ln1、Ln2、μ及ML均為鎖機(jī)構(gòu)的固有屬性，系統(tǒng)條件約束力F2是影響鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)部棘輪與棘爪之間滑動(dòng)摩擦力f的外部因素，F(xiàn)2越大，則f越大。

3.2 系統(tǒng)約束力對(duì)解鎖條件的影響

在解鎖推動(dòng)桿推動(dòng)棘爪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，需克服棘爪回位彈簧的阻力以及棘爪與棘輪嚙合面的滑動(dòng)摩擦力f才能順利解鎖，如圖4所示，因此，可解鎖的條件為：

式中，F(xiàn)7為電機(jī)推動(dòng)桿輸出力；L7為F7以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂；Lf為滑動(dòng)摩擦力f以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂；MZ為棘爪回位彈簧以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的回位力矩，屬于尾門鎖的固有屬性。

圖4 棘爪受力分析

將式（4）帶入式（5）可得可解鎖條件為：

當(dāng)鎖結(jié)構(gòu)一定時(shí)，MZ、L7、μ、Lf、ML、Ln1及Ln2均為定值，令，則式（6）可表示為：

系數(shù)A與系數(shù)k均為與鎖結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，因此，系統(tǒng)約束力F2是決定解鎖能否實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)參數(shù)，將式（2）帶入式（7）可將解鎖條件轉(zhuǎn)換為：

當(dāng)系統(tǒng)約束力矩M3+M4+M5+M6-M1足夠大時(shí)，電機(jī)推動(dòng)桿推力F7不足以克服棘爪回位簧的阻力以及棘爪與棘輪嚙合面的滑動(dòng)摩擦力f，解鎖條件無(wú)法滿足，則電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖失效。

4 尾門電動(dòng)解鎖后開(kāi)啟可行性計(jì)算

在可解鎖條件式（8）滿足的情況下，鎖機(jī)構(gòu)的棘爪釋放棘輪解鎖，若此時(shí)尾門系統(tǒng)支撐力矩與棘輪回位彈簧對(duì)尾門的支撐力矩之和不足以克服尾門的重力力矩將尾門彈起，則在棘爪回位彈簧的作用下，尾門鎖棘輪與棘爪會(huì)重新嚙合，導(dǎo)致尾門無(wú)法打開(kāi)，其受力分析如圖5所示。

圖5 尾門開(kāi)啟可行性受力分析

則尾門鎖電動(dòng)解鎖后尾門可開(kāi)啟的條件為：

式中，F(xiàn)L為尾門鎖棘輪釋放后，棘輪回位彈簧作用于鎖扣的彈力；FLL2為棘輪回位彈簧以尾門鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)尾門的支撐力矩。

將式（8）與式（9）進(jìn)行組合可得：

則式（10）為尾門鎖可順利解鎖使棘輪棘爪脫離嚙合狀態(tài)并將尾門彈離關(guān)閉位置的充分必要條件。

5 系統(tǒng)約束力的修正

考慮車輛的制造公差因素以及環(huán)境影響因素，計(jì)算過(guò)程中需對(duì)系統(tǒng)約束力進(jìn)行修正。

5.1 尾門重力力矩M1的修正

5.1.1 尾門重力變化的修正

在冬季，尾門積雪結(jié)冰后會(huì)導(dǎo)致尾門質(zhì)量的增加，從而導(dǎo)致重力力矩M1增大；此外，低配置車型因尾門內(nèi)飾板簡(jiǎn)化以及無(wú)后風(fēng)窗玻璃刮水器等因素會(huì)導(dǎo)致尾門質(zhì)量較高配車型小。綜合這兩方面因素，計(jì)算可得尾門重力最小值Gmin與最大值Gmax。

5.1.2 尾門重力力臂變化的修正

圖6所示為車輛在駐坡情況下尾門重力力臂變化情況，在下坡駐坡情況下，重力力臂，此時(shí)L′1＞L1，在上坡駐坡情況下，重力力臂，此時(shí)L″1＜L1。

圖6 駐坡情況下尾門重力力臂變化情況

綜合重力及其力臂兩方面的修正，可得尾門重力力矩的最小值為M1min=GminL″，最大值為M1max=GmaxL′。帶入式（10）分析可知：重力力矩M1較大有利于尾門實(shí)現(xiàn)電動(dòng)解鎖，但是不利于解鎖后尾門的開(kāi)啟；M1較小有利于尾門解鎖后的開(kāi)啟，但是不利于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)解鎖。

5.2 尾門緩沖塊支撐力矩M3的修正

在尾門關(guān)閉狀態(tài)下，緩沖塊處于壓縮狀態(tài)，此時(shí)溫度對(duì)其力學(xué)性能的影響效果是在一定壓縮變形量條件下的。模擬實(shí)車狀態(tài)，對(duì)某車型尾門緩沖塊在不同環(huán)境溫度與不同壓縮量下的壓縮力進(jìn)行測(cè)試，考慮車輛實(shí)際使用過(guò)程中的溫度情況，選取-20℃模擬冬季低溫工況，選取60℃模擬夏季高溫日曬工況。

在環(huán)境溫度箱內(nèi)不同的設(shè)定溫度下，采用電子壓縮試驗(yàn)機(jī)對(duì)尾門緩沖塊進(jìn)行不同程度的壓縮，保持設(shè)定溫度以及壓縮量30 min后讀取壓縮力值如表1所示。

由表1可知，在相同溫度下，緩沖塊壓縮力隨壓縮量的增大而增大，在相同壓縮量條件下，該緩沖塊在0℃時(shí)的壓縮反力最大，這是緩沖塊材質(zhì)的回彈性變化與硬度變化共同導(dǎo)致的，在-20℃低溫條件下橡膠的回彈性變差導(dǎo)致緩沖塊壓縮變形后壓縮反力減小，在60℃高溫條件下橡膠的硬度變小導(dǎo)致緩沖塊的壓縮反力減小。新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)對(duì)具體應(yīng)用的緩沖塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)量后再取值計(jì)算。

在車輛的裝配過(guò)程中，為了保證尾門與側(cè)圍的間隙與面差，需對(duì)鉸鏈安裝位置、尾門鎖扣安裝位置以及緩沖塊的干涉量進(jìn)行調(diào)整，使得尾門緩沖塊的實(shí)際壓縮量偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。例如，某車型緩沖塊設(shè)計(jì)狀態(tài)壓縮量為3 mm，按照制造裝配的工藝水平，實(shí)際車輛裝配狀態(tài)下緩沖塊的壓縮量控制在2～4 mm之間，因此，表1中2 mm壓縮量、60℃溫度條件下的壓縮力37.1 N為該緩沖塊在實(shí)車狀態(tài)下支撐力可能達(dá)到的最小值，4 mm壓縮量、0℃溫度條件下的壓縮力140.5 N為該緩沖塊在實(shí)車狀態(tài)下支撐力可能達(dá)到的最大值。根據(jù)壓縮力最小值與最大值計(jì)算可得尾門緩沖塊以鉸鏈為軸線對(duì)尾門的最小支撐力矩M3min與最大支撐力矩M3max。

5.3 尾門限位塊支撐力矩M4的修正

尾門限位塊在設(shè)計(jì)狀態(tài)無(wú)壓縮量，通常設(shè)計(jì)預(yù)留1 mm間隙進(jìn)行容差。但是，加入M4的計(jì)算會(huì)擴(kuò)大解鎖條件的適用范圍，有利于滿足更嚴(yán)苛工況下的解鎖可靠性要求，因此，計(jì)算極限裝配公差條件下限位塊0.5 mm壓縮量的支撐力矩M4作為尾門限位塊的最大支撐力矩。

在環(huán)境溫度箱內(nèi)不同的設(shè)定溫度下，模擬實(shí)車裝配狀態(tài)，對(duì)某車型尾門限位塊在不同溫度下保持0.5 mm壓縮量30 min后讀取壓縮力值如表2所示。

表2 不同溫度下限位塊0.5 mm壓縮量的壓縮力

由表2可知，尾門限位塊在極限公差0.5 mm壓縮量條件下最大壓縮力為0℃時(shí)的55.1 N。尾門限位塊壓縮狀態(tài)如圖7所示，則尾門單側(cè)限位塊對(duì)尾門支撐力矩的最大有效作用力為：

因此可得尾門限位塊對(duì)尾門的最小支撐力矩M4min=0與最大支撐力矩M4max。

5.4 尾門氣彈簧支撐力矩M5的修正

由于尾門的裝配公差通常在尾門過(guò)關(guān)2 mm至欠關(guān)1 mm之間，而該公差尺寸對(duì)尾門氣彈簧在尾門關(guān)閉位置的作用力及其力臂影響很小，只需考慮溫度對(duì)氣彈簧的力學(xué)性能影響即可。某車型尾門氣彈簧支撐力在不同溫度下的變化如圖8所示，高溫條件下氣彈簧缸體內(nèi)氣體膨脹導(dǎo)致支撐力增大，低溫條件下缸體內(nèi)氣體收縮導(dǎo)致支撐力減小[5～6]。分別以高、低溫條件下的氣彈簧力計(jì)算得到尾門關(guān)閉狀態(tài)氣彈簧對(duì)尾門的最大支撐力矩M5max與最小支撐力矩M5min。

圖7 某尾門限位塊壓縮狀態(tài)示意

圖8 不同溫度下某尾門氣彈簧支撐力曲線

5.5 尾門密封條支撐力矩M6的修正

模擬實(shí)車狀態(tài)，將尾門密封條制作成100 mm長(zhǎng)的樣件進(jìn)行壓縮測(cè)試。在環(huán)境溫度箱內(nèi)不同的設(shè)定溫度下，采用電子壓縮試驗(yàn)機(jī)對(duì)密封條進(jìn)行不同程度的壓縮，保持設(shè)定溫度以及壓縮量30 min后讀取壓縮力值。

表3 不同溫度與壓縮量條件下的密封條壓縮力

由表3可知，在相同的測(cè)試溫度下，尾門密封條的壓縮力隨壓縮量的增大而增大，在相同的壓縮量條件下，受密封條回彈性與硬度變化的影響，在20℃時(shí)密封條的壓縮反力最大，其機(jī)理與緩沖塊相似。

同樣，尾門密封條受尾門裝配間隙與面差的影響，實(shí)際裝配狀態(tài)可能會(huì)出現(xiàn)±2 mm的公差，即設(shè)計(jì)狀態(tài)下壓縮量為6 mm，實(shí)際裝車時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)4～8 mm之間的壓縮量。因此，4 mm壓縮量、60℃溫度條件下的壓縮力5.3 N為該密封條在實(shí)車狀態(tài)下壓縮力可能出現(xiàn)的最小值，8 mm壓縮量、20℃溫度條件下的壓縮力10.5 N為該密封條在實(shí)車狀態(tài)下壓縮力可能出現(xiàn)的最大值，根據(jù)壓縮力最小值與最大值計(jì)算可得尾門密封條以鉸鏈為軸線對(duì)尾門的最小支撐力矩M6min與最大支撐力矩M6max。

5.6 系統(tǒng)約束力的極限修正

由式（10）可知：系統(tǒng)約束力矩F2L2越小，越有利于尾門電動(dòng)解鎖的實(shí)現(xiàn)，但不利于電動(dòng)解鎖后尾門開(kāi)啟的實(shí)現(xiàn)；F2L2越大，越有利于尾門解鎖后開(kāi)啟條件的實(shí)現(xiàn)，但不利于尾門電動(dòng)解鎖條件的實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)以F2L2的最大值來(lái)驗(yàn)證尾門的可解鎖條件式（8），以F2L2的最小值來(lái)驗(yàn)證尾門的可開(kāi)啟條件式（9），有利于尾門滿足在各種工況下的解鎖與開(kāi)啟可行性。

但各零件的極限支撐力矩并非出現(xiàn)在同一環(huán)境條件下，由式（10）可知，計(jì)算時(shí)取F2L2=M3+M4+M5+M6-M1的極限值進(jìn)行匹配的算法是對(duì)解鎖條件以及開(kāi)啟條件安全系數(shù)的放大，因此，系統(tǒng)約束力的最終修正狀態(tài)以各種組合工況下極限值進(jìn)行計(jì)算。

因此，解鎖條件式（8）的極限修正為：

Research on the Effect of the Tail Gate Binding Force on the Unlocking Condition

Li Chaoshuai,Lin Sen,Yu Bo,Li Ruisheng
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute,Shenyang 110000）

In order to solve the problem of the lock mechanism failure caused by the change of the closure system during the development process of a new vehicle,a mathematical model for the tail gate system was established.The influence factors of the system such as the seal of the tail gate,the gas spring and the buffer block were converted to the binding force.The influence of the binding force of the tail gate system on the unlocking condition was analyzed in combination of the operating principle of tail gate lock internal structure,and a refined matching calculation method for the binding force and the unlocking condition of the tail gate system was presented.At the same time,the external factors, which need to be considered in the calculation process were put forward,and the calculation parameters were modified to meet the functional stability of the tail gate under various conditions.

Tail gate system,Binding force,Unlocking condition,Matching calculation

尾門系統(tǒng) 約束力 解鎖條件 匹配計(jì)算

U463.85+4

A

1000-3703（2016）12-0037-05